畜禽粪污中兽用抗菌药残留研究进展

郭 禹,赵平伟,米彦飞,张 薇,宋艳红,武晋孝,冯俊吾

(山西省检验检测中心山西省标准计量技术研究院, 山西 太原 030031)

兽用抗菌药作为重要的农业投入品,对动物养殖业健康发展举足轻重。在畜禽养殖中,抗菌药长期用于动物亚治疗,这些药物在动物体内无法被完全吸收,30%～90%会以母体或代谢物形式随畜禽排泄物进入环境。2020年我国畜牧业产生畜禽粪污约38亿t,现有的动物粪污处理工艺简单,不能满足残留抗菌药的完全降解。因此兽用抗菌药的大量使用将造成土壤环境中抗菌药的广泛残留,进而影响植物生长与人类健康。为全面提升畜禽绿色健康养殖水平,促进畜牧业高质量发展,畜禽养殖业中合理、规范使用兽用抗菌药已成为全球共识。本文基于此, 对目前国内外关于兽用抗菌药在畜禽粪污中残留的相关研究方向进行总结评述,并指出减少兽用抗菌药在粪污中的残留的可行性措施。

1 兽用抗菌药在畜禽粪污中的残留现状

1.1 兽用抗菌药在畜禽养殖中的使用

自1946年首次报道,在饲料中添加兽用抗菌药能提高肉鸡的日增重,先后有多种兽用抗菌药被用于畜牧养殖业,但是,在具体使用中,存在兽用抗菌药的滥用问题。王云鹏等对国内5省、市进行的兽用抗菌药使用情况调查表明,滥用现象主要包括盲目、随意用药,过量、长期用药,人药兽用,不遵守休药期要求,直接使用兽用原料药,仍然使用明令禁止药物。在养殖过程中抗菌药的使用目的主要分为促生长和治疗2大类,2020年中国境内使用抗菌药制剂种类共216种。数据显示:2018～2020年,我国兽用抗菌药使用总量由2.97万t增加至3.27万t,增长了10%,但是促生长类使用占比由51.77%降至28.69%,这得益于2017年全国遏制动物源细菌耐药计划(2017～2020年)的实施。为了进一步促进畜牧业的高质量发展,国家相继出台了多项政策及行动方案,农业农村部第194号公告要求,自2020年7月1日起,饲料中全面“禁抗”(中药类添加剂除外),该政策的实施预计可显著减少兽用抗菌药的使用量。2021年10月25日,农业农村部印发了《全国兽用抗菌药使用减量化行动方案(2021-2025)》,方案要求到2025年末,50%以上的规模养殖场实施养殖减抗行动,做到规范科学用药。

1.2 兽用抗菌药在畜禽体内的代谢

兽用抗菌药被吸收到体内后的代谢途径是多种多样的,但是主要通过肝脏代谢,经胆汁,由粪便排出体外。极性化合物比脂溶性化合物更容易排出动物体外。例如,动物摄入的四环素类、泰乐菌素、恩诺沙星等极性药物约50%～90%以原药形式通过粪尿排泄,氯霉素、红霉素、甲氧苄啶脂溶性药物只有在动物体内代谢为极性更高的化合物才能经动物粪尿排泄。而磺胺类抗菌药既可以原药形式排泄,也可以乙酰化结合态排泄。

1.3 兽用抗菌药在畜禽粪污中的残留

畜禽粪污中普遍含有四环素类、磺胺二甲嘧啶、青霉素、泰乐菌素等,这些兽用抗菌药的残留量多在μg/kg水平。目前研究最多的为四环素类,研究内容包括检出率、不同养殖物种、经济发达程度、规模化养殖和家庭养殖模式和畜种发育阶段。多项研究表明,四环素类在畜禽粪污中检出率最高,土霉素最高可达134.75mg/kg。不同畜种而言,同一种抗菌药残留普遍显示猪粪>鸡粪>牛粪。张树清等和Zhao等研究表明经济发达地区的残留明显高于其他地区。大规模集约化养殖场残留量高于家庭养殖户。对畜种的发育阶段而言,Zhao等8省市的规模化养殖场调研发现猪粪中四环素类兽用抗菌药的残留规律为,仔猪>种猪>育肥猪,而阮蓉等对家庭养殖户粪污残留研究表明,育肥猪>母猪>仔猪。因此,畜禽粪污中兽用抗菌药残留量既与药物种类、养殖物种相关,也与经济发达程度、养殖模式和畜种的生长阶段有关。

2 对土壤环境及植物生长影响

2.1 兽用抗菌药对土壤环境的影响

受传统观念影响,畜禽粪污中含有的兽用抗菌药及代谢物排入环境首当其冲影响的就是土壤环境。土壤中微生物尤其是细菌数量最多,约占土壤微生物总量70%～90%,其数量和活性是土壤肥力的一个重要指标,土壤硝化作用与氨化作用一样,都是生物圈内氮循环的重要环节。研究表明磺胺二甲嘧啶和土霉素、恩诺沙星能抑制土壤微生物的呼吸作用。有研究表明土壤对4种抗菌药的吸附强度为:土霉素>恩诺沙星> 泰乐菌素>磺胺二甲嘧啶。浓度为10μg/g的恩诺沙星残留抑制土壤硝化作用、氨化作用,且降低土壤微生物群落功能,长期恩诺沙星残留会破坏土壤氮循环,降低土壤固氮能力恩诺沙星对土壤中三大类微生物影响为:细菌>放线菌>真菌。而四环素类则对真菌的影响大于细菌,并且高浓度的四环素和土霉素会抑制土壤磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶活性。

2.2 兽用抗菌药对植物生长的影响

兽用抗菌药残留的动物粪肥未处理施用于农田,植物从土壤中吸收直接影响其生长。土壤中的抗菌药污染会抑制种子发芽和根系、下胚轴以及叶片的生长,且随着污染的加重及时间的延长,对植物生长的影响越大。Migiores等研究表明,植物的根对抗菌药吸附性最强,小白菜、白萝卜对四环素类均有吸收作用,作物组织中残留浓度与土壤抗菌药浓度呈正相关。恩诺沙星在水芹中的蓄积率高于土霉素,在生长阶段对土霉素更为敏感。郑曦等研究表明,盐酸左氧氟沙星显著抑制玉米根与幼苗的生长,干物质的积累,叶绿素的含量,POD酶的活性。青菜在生长期前期比后期对土霉素更敏感,而在收获期后期比前期更为敏感。徐秋桐等对土壤中土霉素对12种作物危害的的研究表明: 蔬菜作物幼苗比粮食作物幼苗更为敏感。油菜较之白菜、生菜对青霉素的生态毒性更敏感。

3 畜禽粪污兽用抗菌药残留无害化处理研究

堆肥是目前主要的畜禽粪污处理方式,可以使畜禽粪污养分成分更加稳定,残留兽用抗菌药得到有效降解,进而减少对土壤、环境的损害,主要分为好氧堆肥和厌氧堆肥。

3.1 好氧堆肥化处理

在有氧条件下利用好氧发酵使畜禽粪污中的有机物降解形成腐殖酸、病原微生物失活。堆肥对兽用抗菌药的去除主要通过光解、水解及微生物降解来完成。YU等发现,喹诺酮类降解率可超99%,磺胺类可达90%以上。大环内酯类如红霉素、替米考星等在堆肥13 d后可完全降解。温度是影响兽用抗菌药降解的重要因素,堆肥时温度越高,降解效果更好,Arikan等研究表明,高温65°C的牛粪堆体中金霉素的降解率比室温条件下高出7倍多,因此能提高堆肥温度的菌剂,如光照、EM菌剂、VT菌剂等都会显著提升降解效率。匡光伟等研究表明鸡粪中的土霉素和金霉素的降解速率,光照条件下比避光条件下高出9倍多。

3.2 厌氧堆肥化处理

是使固体畜禽粪便在厌氧条件下利用厌氧微生物的作用达到稳定化并得到有利用价值的产物,包括厌氧堆肥,产沼发酵等。研究表明厌氧发酵对抗菌药去除率与抗菌药种类、畜种种类、初始浓度、外源添加剂等因素有关。Gurmessa等研究表明,β-内酰胺类去除率高于四环素、大环内酯类、磺胺类。牛粪中泰乐菌素经过4 d的厌氧发酵后可以完全降解,在猪粪中降解率较低。Yin等研究表明,猪粪中土霉素低于40 mg/kg时,土霉素可完全消除,超过此浓度后,降解率会显著降低。向堆肥中加入0.5 g/L的新型生物炭后,磺胺嘧啶的去除率可提高30%,过氧化钙可以显著提高四环素降解率。

4 总结与展望

4.1 开发绿色安全高效的兽用抗菌药替代物

从根源上减少兽用抗菌药养殖环节的使用,目前常用的饲用兽用抗菌药替代物主要有中草药饲料添加剂、益生菌、抗菌肽、植物提取物,酶制剂、溶菌酶、酸化剂、噬菌体等。已有研究表明鱼腥草提取液对新城疫病毒强毒株的杀灭作用,效果优于盐酸金刚烷胺,纳豆芽孢杆菌等可显著降低猪腹泻率,提高保育猪的平均日增重。

4.2 提高粪污无害化处理效率

在畜禽粪污无害化处理中,加强堆肥菌株和外源添加剂的开发,促进残留兽用抗菌药的快速彻底降解。改进规模化养殖场放处理工艺,最终缩短兽用抗菌药在生态环境中的迁移路径。

4.3 全面建立检测与排放标准

建立畜禽粪污中兽用抗菌药含量检测标准,制定粪污抗菌药残留排放标准,在最终排放环节做好残留监测及可行性评估,倒逼养殖企业减少抗菌药的使用。2016年发布的《有机肥料中土霉素、四环素、金霉素与强力霉素的含量测定高效液相色谱法》,是我国首次发布肥料中抗生素残留检测方法的国家标准。浙江省发布的《T/ZNZ 037-2020商品有机肥中兽用抗生素残留控制技术规范》中规定四环素类残留限量0.5mg/kg,磺胺类残留限量为0.5 mg/kg。